Mikrobolometr to odmiana bolometru, wykorzystywana w kamerach termowizyjnych. Jest to urządzenie, będące w bardzo dużym uproszczeniu i uogólnieniu uporządkowanym zbiorem pikseli, które są swoistego rodzaju termistorami, reagującymi zmianą oporności na zmiany temperatury obserwowanego obiektu. Informacja o temperaturze przenoszona jest za pomocą promieniowania elektromagnetycznego w zakresie podczerwieni. Elektronika mikrobolometru umożliwia stworzenie "mapy rozkładu temperatur", która następnie jest interpretowana przez układ graficzny, przypisujący każdej temperaturze inną barwę.

Pierwsze mikrobolometry powstały w latach 80 ubiegłego wieku i miały zastosowanie ściśle militarne. Dopiero odtajnienie i przekazanie tej technologii do zastosowań cywilnych w połowie lat 90 pozwoliło na jej dalszy rozwój i powszechne użycie. Termowizja znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach życia, m.in. w budownictwie, energetyce, medycynie a także w ratownictwie, badaniach kosmosu, diagnostyce urządzeń mechanicznych jak i obwodów elektrycznych czy w szeroko pojętym przemyśle.

Mikrobolometry są czułe na promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal w zakresie od 7μm do 14μm. Wybór takiego przedziału determinowany jest poprzez okno atmosferyczne (rys. 1), występujące w obrębie długich fal podczerwonych - LWIR.

Rys. 1. Transmitancja światła widzialnego i promieniowania podczerwonego w atmosferze ziemskiej. Przedstawienie okien atmosferycznych oraz molekuł absorbujących promienie IR.

T - Transmitancja
W - Długość fali
Am - Molekuły absorbujące
v - Światło widzialne

Obrazowanie w krótkofalowej (SWIR) i średniofalowej (MWIR) podczerwieni uniemożliwia absorpcja tych długości fal przez występujące w atmosferze ziemskiej cząsteczki pary wodnej. Daleka podczerwień (FIR) jest pochłaniana przez dwutlenek węgla oraz parę wodną. Pozostała część spektrum, nie zaabsorbowana przez cząsteczki gazów, jest odfiltrowywana, poprzez zastosowanie odpowiednich materiałów, z których wykonana jest optyka kamery – np. poprzez soczewki wykonane z germanu.

W przeciwieństwie do większości detektorów podczerwieni, mikrobolometry nie wymagają chłodzenia powierzchni absorbującej, mogą one pracować w temperaturze pokojowej.

Minusami tego rozwiązania są mniejsza czułość mikrobolometrów w porównaniu z urządzeniami pracującymi w temperaturach kriogenicznych oraz większe szumy własne układu. Niższa jest również prędkość reakcji układu na zmianę temperatury (np. szybko poruszający się obiekt), co obrazuje rys. 2. Poniższe zdjęcia wykonane są w tej samej rozdzielczości, kamerami z częstotliwością odświeżania 60Hz i prędkością zapisu 25 kl/s.

Rys. 2. Upuszczenie małego obiektu obrazowane przez kamerę termowizyjną:

a) z mikrobolometrem VOx
b) z chłodzonym detektorem InGaAs

Brak konieczności chłodzenia pozwala zmniejszyć gabaryty kamery, obniżyć konsumpcje energii, koszty produkcji i użytkowania, a przede wszystkim, urządzenie jest gotowe do pracy tuż po podłączeniu zasilania.

By wyprodukować niechłodzony mikrobolometr o dużej czułości konieczne jest opracowanie materiału bolometrycznego o wysokiej wydajności. Najbardziej pożądanymi cechami materiału, z którego wykonana jest warstwa fotoaktywna są:

• wysoka wartość temperaturowego współczynnika rezystancji – TCR (Temperature Coefficient of Resistance), a dokładniej, ujemnego współczynnika temperaturowego – NTCR (Negative Temperature Coefficient of Resistance). Współczynnik ten oznacza spadek rezystancji danego materiału przy wzroście temperatury tego materiału o jeden Kelwin – wyrażany jest on procentowo w jednostkach [%/K];
• duża absorbancja dla pożądanego przedziału długości fali IR;
• niska wartość szumów własnych materiału i całego układu;
• umiarkowana rezystancja.

Obecnie dla zastosowań cywilnych stosuje się mikrobolometry, których elementy fotoaktywne zostały wykonane w oparciu o związki dwóch pierwiastków – wanadu (V) lub krzemu (Si). Najpowszechniej wykorzystywane są dwa typy materiałów – tlenki wanadu (VOx) i amorficzny krzem (a-Si). Rzadziej stosowane są amorficzne związki krzemu z germanem (a-SiGe), ich tlenki (a-GexSi1-xOy), a także tlenek itrowo-barowo-miedziowy (YBCO). Trwają również badania nad zastosowaniem tlenków wanadowo-wolframowych (VWO), grafenu i innych substancji.

Pomimo faktu, że wszystkie te materiały fotoaktywne są wykorzystywane do wykonywania identycznych zadań, istnieją pomiędzy nimi istotne różnice pod względem wydajności.

Właściwości fizyczne amorficznego krzemu, jak i innych związków na krzemie opartych (a‑Si, a-SiGe, a-GexSi1-xOy czy a-Si:H) pozwalają na stworzenie bardzo cienkiej warstwy pochłaniającej promieniowanie podczerwone. Skutkuje to skróceniem czasu (nawet do 21ms) reakcji pojedynczego piksela na padające promienie IR. Dodatkowo, dla a‑GexSi1-xOy uzyskuje się współczynnik TCR w zakresie od 2,27 do 8,69 %/K. Dalsze badania nad tymi materiałami skupiają się na wyeliminowaniu dużych szumów własnych i obniżeniu kosztów produkcji.

Warstwa absorbująca oparta na tlenkach wanadu jest układem wielofazowym, określanym jako VOx. W jej skład wchodzą głównie tlenek wanadu (V) – V2O5 i tlenek wanadu (IV) – V2O4.

Głównym budulcem warstwy absorbującej jest – V2O5. Ma on bardzo wysoki współczynnik TCR - około 3~4,4 %/K, co jest dużą wartością jak na materiały obecnie stosowane. Minusem V2O5 jest jego wysoka rezystancja.

Tlenek wanadu (V) jest uzupełniany tlenkiem wanadu (IV). Materiał ten przekraczając temperaturę 68°C przechodzi przemianę fazową. Zmienia wówczas swoją strukturę krystaliczną, ulegając przekształceniu z półprzewodnika w metal. Powoduje to skokowe zmniejszenie wartość współczynnika TCR. Przemiana fazowa wymusza również bardziej uporządkowany ruch elektronów, co powoduje gwałtowną redukcję szumów własnych zwiększając stosunek sygnału do szumu. W zakresie temperatur od około 50°C do około 90°C tlenek wanadu (IV) jest substancją silnie absorbującą promieniowanie IR. Poważnym minusem V2O4 jest natomiast to, że w temperaturze pokojowej jest on niemal transparentny dla promieniowania elektromagnetycznego w zakresie dalekiej podczerwieni.

Biorąc powyższe pod uwagę, warstwa absorbująca domieszkowana jest również innymi tlenkami wanadu. Proporcje pomiędzy poszczególnymi fazami zostały ustalone tak, by rzeczywista stechiometria odpowiadała w przybliżeniu wzorowi VO1.8. Gwarantuje to najbardziej pożądane właściwości fizyczne – największą absorpcję promieni IR w pożądanym zakresie długości fal elektromagnetycznych oraz najwyższy współczynnik TCR (w zakresie 2.0~5.5 %/K), przy relatywnie niskich szumach własnych.

Obecnie prowadzone badania nad tlenkiem wanadu domieszkowanym wolframem (VWO) dają obiecujące wyniki. Tlenek wanadowo-wolframowy ma mieć jeszcze lepszy czas reakcji na padające promieniowanie podczerwone oraz reagować na mniejsze różnice temperatur, a także posiadać lepszy stosunek sygnału do szumu w porównaniu do "czystego" tlenku wanadu.

Jak większość obecnie produkowanych układów zintegrowanych, tak i matryce bolometryczne powstają na płytce podłożowej (waflu) z monokryształu krzemu. Powierzchnia krzemu poddana pasywacji stanowi podstawę dla elektroniki obsługującej sygnały z ułożonych w rzędy i kolumny poszczególnych pikseli. Elektronika jest niejako wbudowywana w płytkę podłożową za pomocą technologii CMOS. Takie rozwiązanie nosi nazwę ROIC – ReadOut Integrated Circuit.

Rys. 3. Schemat budowy ROIC:

a) multiplekser wierszy
b) multiplekser kolumn
c) wzmacniacz sygnału
d) do przetwornika analogowo-cyfrowego

Przy pomocy multiplekserów wskazujących na daną kolumnę oraz na dany wiersz, odczytywana jest informacja z pojedynczego piksela. Sygnał następnie jest wzmacniany i przesyłany do przetwornika analogowo-cyfrowego. ROIC zostało schematycznie przedstawione na rysunku 3. Osadzony na płytce, ponad ROIC, zbiór pikseli absorbujących promieniowanie elektromagnetyczne w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu określany jest jako FPA – Focal Plane Aray. Ilość rzędów i kolumn pikseli określa rozdzielczość danego mikrobolometru. Najpopularniejsze obecnie na rynku komercyjnym matryce kamer termowizyjnych mają rozdzielczości 160x120, 384x288 i 640x512. Produkowane są również większe, min o rozdzielczości 1024x768, lecz puki co, koszt ich wytworzenia jest zbyt wysoki by znalazły powszechne zastosowanie. Rozwój matryc mikrobolometrycznych jest prowadzony równolegle na dwóch płaszczyznach: zwiększenia rozdzielczości oraz zmniejszenia rozmiarów pojedynczego piksela. W starszych urządzeniach rozmiar pojedynczego piksela wynosił 35μm, 30μm i 25μm. Obecnie, choć już coraz rzadziej, stosuje się piksele w rozmiarze 17μm, które są wypierane przez matryce złożone z pikseli o wielkości 12μm. Należy jednak zauważyć, że suma powierzchni aktywnych pojedynczych pikseli nie jest równa powierzchni całej matrycy – pokazuje to rysunek 4.

Rys. 4. Przekrój poprzeczny przez fragment matrycy:
a) powierzchnia całkowita pojedynczego piksela;
b) powierzchnia aktywna pojedynczego piksela;

Producenci starają się zmniejszyć odległości pomiędzy pikselami, a także dobrać ich kształt tak, by powierzchnia aktywna stanowiła jak największy procent powierzchni całkowitej matrycy. Kilka różnych kształtów i sposobów upakowania pikseli wewnątrz matrycy pokazuje poniższa grafika.

Rys. 5. Przykłady upakowania przez różnych producentów pojedynczych pikseli w matrycy mikrobolometrycznej.

Budowę przykładowego piksela przedstawia rysunek 6.

Rys. 6. Budowa przykładowego, pojedynczego piksela:

a) podłoże z Si
b) elektroda z Au
c) warstwa refleksyjna z Au
d) warstwa Si3N4
e) przerwa
f) ścieżka elektryczna z Ti
g) elektroda z Au
h) warstwa fotoaktywna z VOx
i) powierzchniowa warstwa Si3N4

Górna powierzchnia płytki podłożowej (a) pokryta jest warstwą dwutlenku krzemu (SiO2). Stanowi ona izolację elektryczną od ROIC, i jest podstawą dla wykonanej ze złota warstwy refleksyjnej (c). Warstwa refleksyjna ma za zadanie odbicie tej części promieniowania podczerwonego, która "przeszła na wylot" przez warstwę fotoczułą i skierowanie jej z powrotem. Izoluje również termicznie od podłoża i ROIC.

Elektrody (b), również wykonane ze złota, są jedynymi elementami łączącymi dany piksel z ROIC. Na elektrodach oparta jest pierwsza warstwa azotku krzemu (Si3N4) (d). Stanowi ona "element konstrukcji nośnej" dla wyższych warstw, z których zbudowany jest piksel. Jednocześnie spełnia rolę dodatkowego izolatora elektrycznego pomiędzy wyższymi warstwami a warstwą refleksyjną czy ROIC.

Na Si3N4 nałożona jest warstwa tlenków wanadu (h). Zoptymalizowana jest ona pod względem jak najwyższego współczynnika TCR. Połączenie VOx z ROIC realizowane jest za pomocą elektrod (g i b) oraz łączących je tytanowych ścieżek elektrycznych (f). Absorbując promieniowanie podczerwone VOx ulega podgrzaniu. Zmiana temperatury tej warstwy wiąże się ze zmianą jej rezystancji. Mierząc różnicę potencjałów elektrycznych pomiędzy elektrodami można zgodnie z prawem Ohma precyzyjnie wyznaczyć zmiany rezystancji. Różnice w potencjale elektrycznym mają wartości wyrażane w piko (pV) i nano (nV) woltach. Znając dokładnie TCR warstwy VOx, można wyliczyć "ilość pochłoniętego ciepła", a tym samym zaabsorbowanego promieniowania IR. Zbierając te dane z poszczególnych pikseli, ROIC przekazuje je do dalszej analizy. Znając dzięki multiplekserom położenie pikseli oraz dokładne ilości zaabsorbowanego promieniowania IR, przetwornik analogowo-cyfrowy potrafi odwzorować obraz "widziany" przez FPA.

Warstwa Si3N4 (i) osadzona na powierzchni aktywnej piksela, stanowi ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz przed zwarciem elektrycznym, nie jest to jednak jej główne zadanie. Azotek krzemu przede wszystkim ma na celu aktywne zwiększenie absorbancji fal elektromagnetycznych w zakresie dalekiej podczerwieni przez cały piksel (rys. 7).

Rys. 7. Procentowa zmiana stopnia absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w funkcji długości fali tego promieniowania:
VOx – przez tlenki wanadu,
Si3N4 – przez azotek krzemu,
∑ – sumaryczna absorpcja.

Warstwa ta, absorbując promieniowanie podczerwone, zwiększa swoją energię termiczną. Wzbudzone na drodze termicznej cząsteczki Si3N4, poprzez przewodnictwo cieplne, przekazują swoją energię w głąb układu, ogrzewając jednocześnie cząsteczki w sąsiedniej warstwie tlenków wanadu.

Rysunki od 8 do 15 w sposób uproszczony opisują powstawanie przykładowego, pojedynczego piksela mikrobolometru bazującego na VOx jako materiale fotoaktywnym. Przedstawiono tylko proces produkcyjny, związany z nanoszeniem nowych warstw. Pominięte zostały m.in. etapy procesów fotolitografii i trawienia, związanych z odwzorowaniem odpowiednich kształtów poszczególnych warstw.

Podstawę dla całego układu stanowi wycięty z monokryształu krzemu wafel o grubości od 250μm do 500μm (rys. 8a). Na poddanej pasywacji powierzchni wafla (b), poprzez odparowanie złota w wysokiej próżni (metoda Physical Vapor Deposition – PVD) zostaje osadzona warstwa refleksyjna (c).

Rys. 8. Osadzenie wykonanej ze złota warstwy refleksyjnej (c) na poddanej pasywacji (b) powierzchni wafla krzemowego (a):

W drugim etapie (rys. 9) nanoszona jest poliamidowa warstwa ochronna (d). Jest to "tymczasowy stelaż", zapewniający ochronę oraz utrzymanie odpowiedniego dystansu pomiędzy warstwą refleksyjną a materiałem fotoaktywnym.

Rys. 9. Osadzenie warstwy ochronnej, poliamidu – d):

Kolejno (rys. 10), w procesie chemicznego osadzania z fazy lotnej (Chemical Vapor Deposition - CVD) nanoszona jest warstwa azotku krzemu (e).

Rys. 10. Warstwa azotku krzemu (e) osadzona na warstwie poliamidowej i podłożu krzemowym:

Również metodą CVD zostają kilkukrotnie naniesione cienkie filmy z tlenków wanadu (rys. 11f) (głównie V2O5 oraz V2O4) stanowiące powierzchnię aktywną piksela. Skład gazów, z których osadzane są filmy dobierany jest tak, by efekt końcowy uzyskał stechiometrię VO1.8. Całość jest następnie wyżarzana w atmosferze czystego azotu (N2) w temperaturze 300°C przez 30 minut, co zapewnia integralność warstwy i jednorodne rozłożenie materiału. Warstwa VOx ma około 95 nm grubości.

Rys. 11. Warstwa VOx (f) naniesiona na azotek krzemu:

W dalszym etapie (rys. 12), przy pomocy metody PVD na podłożu z Si3N4 osadzone zostają ścieżki elektryczne wykonane z tytanu lub platyny (g). Naniesiona zostaje również warstwa poliamidu (h).

Rys. 12. Naniesienie tytanowych ścieżek elektrycznych (g) oraz warstwy poliamidu (h):

Na tej samej zasadzie (PVD) zostają naparowane złote elektrody łączące powierzchnię aktywną piksela VOx z tytanowymi ścieżkami elektrycznymi (j) oraz tytanowe lub platynowe ścieżki elektryczne z podłożem ROIC (i).

Rys. 13. Elektrody łączące tytanowe/platynowe ścieżki elektryczne z podłożem (i) i z cienkim filmem VOx (j):

Jako ostatnia, również metodą CVD, nanoszona jest kolejna warstwa Si3N4 (rys 14k). Stanowi ona m.in. izolację elektryczną dla elektrod i ścieżek a także osłonę mechaniczną dla całego piksela.

Rys. 14. Pokrycie całego piksela warstwą Si3N4 (k):

Produkcja pojedynczego piksela kończy się na spopieleniu warstwy poliamidowej (rys. 15l) i usunięciu jej pozostałości. Próżnia w tym miejscu zostanie uzyskana dopiero na etapie zakładania obudowy zewnętrznej na całe FPA mikrobolometru.

Rys. 15. Usunięcie warstwy poliamidowej:

Proces produkcyjny całej matrycy, ze względu na swoją złożoność zajmuje od kilku do nawet kilkunastu tygodni. Uwzględniając ten czas (a także by ograniczyć koszty), na powierzchni jednego wafla krzemowego jednocześnie produkowanych jest od kilkudziesięciu do kilkuset matryc. Ich Ilość zależy głównie od średnicy wafla, która może sięgać nawet do 450 mm. Proces technologiczny obejmuje powierzchnię całego wafla. Część matryc umiejscowiona na obwodzie jest wytworzona tylko fragmentarycznie, przez co nie nadają się do wykorzystania.

Pozostałe matryce poddawane są testom przy pomocy sondy ostrzowej. Pewna ilości wytworzonych już matryc nie przechodzi testów jakościowych, ujawniając błędy produkcyjne. Są one znakowane i eliminowane. Wykrycie uszkodzonych matryc na tym etapie obniża koszty produkcji. Pozwala to oszczędzić materiały wykorzystywane do stworzenia obudów oraz czas potrzebny do ich zamontowania.

Kolejnym etapem produkcji jest nałożenie obudów w wysokiej próżni. Pozwala to na wyeliminowanie cząsteczek gazu z wnętrza mikrobolometru, a tym samym utrzymanie izolacji termicznej pomiędzy ROIC i warstwą refleksyjną a warstwą VOx. Zapewnia to zmiany rezystancji układu tylko w wyniku promieniowania podczerwonego pochodzącego od strony układu optycznego.

Rys. 16. Przykładowy wafel krzemowy z matrycami mikrobolometrycznymi.

Rysunek 16 przedstawia gotowy wafel krzemowy. Widać na nim ukończone matryce bolometryczne, puste miejsca po wyeliminowanych uszkodzonych matrycach oraz niedokończone matryce na obrzeżach wafla. Ostatnim etapem jest pocięcie wafla na poszczególne matryce.